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2019-2020年高中物理 4.2 光電效應(yīng)與光量子假說教案 教科版選修3-5 一、教學(xué)目標(biāo) 1．應(yīng)該掌握的知識(shí)方面． （1）光電效應(yīng)現(xiàn)象具有哪些規(guī)律． （2）人們研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的目的性． （3）愛因斯坦的光子說對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的解釋． 2．培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推理和判斷的能力方面． （1）觀察用紫外線燈照射鋅板的實(shí)驗(yàn)，分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因． （2）觀察光電效應(yīng)演示儀的實(shí)驗(yàn)過程，掌握分析現(xiàn)象所得到的結(jié)論． 3．結(jié)合物理學(xué)發(fā)展史使學(xué)生了解到科學(xué)理論的建立過程，滲透科學(xué)研究方法的教育． 二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析 1．光電效應(yīng)現(xiàn)象的基本規(guī)律、光子說的基本思想和做好光電效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)是本節(jié)課的重點(diǎn)。 2．難點(diǎn)是 （1）對(duì)光的強(qiáng)度的理解， （2）發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，為什么光電子數(shù)只與入射光的強(qiáng)度成正比． （3）光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。 三、教具 鋅板、驗(yàn)電器、紫外線燈、白熾燈、絲綢、玻璃棒、光電效應(yīng)演示儀． 四、主要教學(xué)過程 （一）新課的引入 光的波動(dòng)理論學(xué)說雖然取得了很大的成功，但并未達(dá)到十分完美的程度．光的有些現(xiàn)象波動(dòng)說遇到了很大的困難，請(qǐng)觀察光電效應(yīng)現(xiàn)象． （二）教學(xué)過程的設(shè)計(jì) 1．演示實(shí)驗(yàn)． 將鋅板與驗(yàn)電器用導(dǎo)線連接，用細(xì)砂紙打磨鋅板表面．把絲綢摩擦過的玻璃棒放在鋅板附近，用紫外線燈照射鋅板． 邊演示邊提問：紫外線燈打開前后，驗(yàn)電器指針有什么變化？這一現(xiàn)象說明了什么問題？ 引導(dǎo)學(xué)生分析并得出結(jié)論：光線照射金屬表面，金屬失去了電子導(dǎo)致驗(yàn)電器指針張開一角度． 明確指出光電效應(yīng)是光照射金屬表面，使物體發(fā)射電子的現(xiàn)象．照射的光可以是可見光，也可以是不可見光．發(fā)射出的電子叫光電子． 說明：這個(gè)實(shí)驗(yàn)如果按照課本上的裝置進(jìn)行效果很不理想，因?yàn)樽贤饩€照射鋅板飛出電子時(shí)鋅板帶正電，在鋅板附近形成電場(chǎng)又將電子吸附回去．鋅板電勢(shì)升到很小的值就使逸出和返回的電子達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，很難使驗(yàn)電器指針明顯地張開． 2．進(jìn)一步研究光電效應(yīng)． 以上實(shí)驗(yàn)改用很強(qiáng)的白熾燈照射，卻不能發(fā)生光電效應(yīng)．向?qū)W生提出問題：光電效應(yīng)的發(fā)生一定是有條件的，存在著一定規(guī)律．有什么規(guī)律呢？讓我們進(jìn)一步研究． 向?qū)W生介紹光電效應(yīng)演示儀．在黑板上畫一示意圖，如圖所示．S為抽成真空的光電管，C是石英窗口，光線可通過它照射到金屬板K上，金屬板A和K組成一對(duì)電極與外部電路相連接．光源為白熾燈，在光源和石英窗口C之間插入不同顏色的濾光片可以改變?nèi)肷涔獾念l率，光源的亮度可以通過另一套裝置調(diào)節(jié)． 觀察現(xiàn)象一： 在沒有光照射K時(shí)，電壓表有示數(shù)，電流表沒有示數(shù)，說明什么？ 明確：AK之間有電場(chǎng)存在，但沒有光電子逸出，說明沒有發(fā)生光電效應(yīng)． 提出問題：要發(fā)生光電效應(yīng)，是不是用任何頻率的光線照射都行？是不是弱光線不行，只要光的強(qiáng)度足夠大就行？是不是只要有足夠大的電場(chǎng)電壓就行？ 觀察現(xiàn)象二： 保持AK間電壓一定，燈泡亮度一定，在窗口C前依次放上紅色、橙色、綠色濾光片，觀察到紅光照射金屬板K時(shí)沒有光電流，橙光和綠光照射時(shí)有光電流．用紅光照射時(shí)改變?nèi)肷涔獾牧炼群透淖冸妶?chǎng)電壓都不發(fā)生光電效應(yīng)．讓學(xué)生考慮原因． 結(jié)論一：入射光線的頻率大于等于該金屬的極限頻率0才能產(chǎn)生光電效應(yīng)． 觀察現(xiàn)象三： 逐漸減小KA間的正向電壓，直到電壓為零時(shí)，電流表仍有示數(shù)，說明光電流依然存在．如果在KA間加一反向電壓，則光電流變小，增大反向電壓，使光電流剛好為零． 提出問題；為什么KA間沒有電場(chǎng)，仍然有光電流？也就是說仍然有光電子從K極板飛向A極板呢？在KA間加反向電壓，光電子在電場(chǎng)中受力方向如何？電場(chǎng)力對(duì)光電子做正功還是負(fù)功？光電子克服電場(chǎng)力做功和它的動(dòng)能變化關(guān)系如何呢？ 根據(jù)學(xué)生回答的問題引導(dǎo)分析：KA間沒有電場(chǎng)仍有光電流說明光線照射金屬板逸出的光電子具有一定的動(dòng)能，一部分光電子可以到達(dá)極板A形成光電流．金屬中的電子吸收光的能量獲得動(dòng)能，只有達(dá)到某一值才能克服原子的束縛從金屬中飛出，因此稱為最大初動(dòng)能，以表示。如果反向電壓達(dá)到U恰好光電流為零，則測(cè)得電壓U就可以求出光電子的最大初動(dòng)能． 保持反向電壓和入射光的頻率不變，調(diào)亮燈泡，發(fā)現(xiàn)光電流仍然為零．此時(shí)將入射光的頻率增大，發(fā)現(xiàn)光電流增大，不再為零． 結(jié)論二：光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率增大而增大． 提出問題：入射光亮度高不就是能量大嗎，金屬中的電子獲得的能量大，初動(dòng)能就應(yīng)該增大，但為什么只與入射光頻率有關(guān)而與光強(qiáng)無關(guān)呢？ 解釋這一問題：頻率一定的光，每個(gè)光子的能量為h有關(guān)，頻率越大的光，光子的能量越大．因此電子吸收了高頻率的光子才能獲得較大的初動(dòng)能．只有初動(dòng)能足夠大的光電子才能克服反向電場(chǎng)的阻力到達(dá)極板A形成光電流．光的強(qiáng)度大只是光源每秒鐘發(fā)射出光子的數(shù)目多，但如果是頻率低的光子，每個(gè)光子的能量不大，電子吸收光子獲得的能量也就較小．只不過每秒入射的光子數(shù)目多，產(chǎn)生光電子的數(shù)目多，所以不提高入射光的頻率就無法使光電子的最大初動(dòng)能增大． 觀察現(xiàn)象四：給光電管電極KA間加正向電場(chǎng)，以高于極限頻率的光入射，保持電壓不變，增加入射光的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)光電流的強(qiáng)度增大． 提出問題：入射光的強(qiáng)度大是什么意思？光電流的強(qiáng)度大是什么意思？為什么它們之間有這樣的關(guān)系？ 根據(jù)學(xué)生的回答歸納：入射光頻率不變時(shí)光的強(qiáng)度大是指每秒鐘入射的光子頻率一定，數(shù)目較多，因此每秒鐘飛向極板A的光電子數(shù)多，由于到達(dá)的電子電量總和多，所以光電流較大． 結(jié)論三：當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，保持頻率不變，則光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比． 指出學(xué)生中可能存在的疑問：光電流的強(qiáng)度應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)．頻率高，光電子的最大初動(dòng)能大，光電子運(yùn)動(dòng)得快，光電流大． 解釋這一問題：如果入射光頻率較高但強(qiáng)度不大，則說明每秒鐘入射的光子數(shù)少．盡管每個(gè)光電子初動(dòng)能較大，但每秒鐘到達(dá)極板A的光電子電量總和不大，因而也就不能形成較強(qiáng)的光電流． 說明：根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)，光線照射金屬表面，光電子發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的． 3．波動(dòng)理論解釋不了光電效應(yīng) （1）波動(dòng)理論解釋不了極限頻率，認(rèn)為光的強(qiáng)度由光波的振幅決定，跟頻率無關(guān)，只要入射光足夠強(qiáng)，就應(yīng)該能發(fā)生光電效應(yīng)．但事實(shí)并非如此． （2）波動(dòng)理論解釋不了光電子的最大初動(dòng)能，只與光的頻率有關(guān)而與光的強(qiáng)度無關(guān)． （3）波動(dòng)理論還解釋不了光電效應(yīng)發(fā)生的時(shí)間之短． 4．介紹愛因斯坦的光子說． 本節(jié)總結(jié)：學(xué)習(xí)這一節(jié)要注意區(qū)分一些主要的概念：光的強(qiáng)度、光子的能量、光電子的最大初動(dòng)能、光電流的強(qiáng)度等．入射光的強(qiáng)度是和光電流的強(qiáng)度聯(lián)系著的，每秒發(fā)射的光子數(shù)決定了每秒逸出的光電子數(shù)；入射光的頻率是和光電子的最大初動(dòng)能聯(lián)系著的，每個(gè)光子的能量E=hν 人類對(duì)于自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)是螺旋式上升的，科學(xué)理論是在不斷發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象、探索新的規(guī)律中發(fā)展和完善的．